一种自适应功率控制算法在无线传感器网络中的应用

齐志远

摘 要：文中特别采用一种自适应功率控制和调度算法，能够在WSN中基站的辅助下，簇首能够在对邻居簇首调度和功率等级表进行监听的情况下，对簇内节点的发射功率级和时隙进行自适应的安排。

关键词：WSN；簇间干扰；自适应功率控制

1 引言

在无线传感器网络，即WSN中，常采用经典低功耗自适应聚类（LEACH）跨层协议方法，可以将WSN划分成多个簇形式，而位于簇内的节点则可以通过时分服务，即TDMA方式和簇首来实现通信，也就是说，任何成员节点都只在属于其自己TDMA的时隙和簇首内进行通信，而在其他的时隙内则处于休眠状态。所以，本文中，针对LEACH协议中簇间干扰和浪费问题，介绍了一种自适应的功率控制和调度算法。

2 簇间干扰

采用LEACH协议，有很多优点，但并没有实现对成员节点发射功率的优化，因为对于簇首较远的节点，以及距离簇首节点较近的节点，都采用已经设定的最大功率来发射，这种方法会造成节点能量的不必要浪费，从而给WSN的生存周期带来影响。

在经典LEACH协议中，主要采用码分多址，即CDMA技术来对簇间的干扰问题进行解决，但是，该算法的原创人员并没有对簇首安排CDMA扩频码的过程进行说明，同时，这种方案还需要对信息进行复杂的编码和解码过程，就要求节点还必须有特殊硬件的支持。

所以，本文内容中介绍了一种基于辅助基站的，能够对功率进行自适应控制和调度的算法，该算法可以确保每个簇首处都保存有一张调度和功率等级表，也就是SAPL表。平时，整个簇内成员节点都出休眠状态下，只有在其自身的TDMA通信时隙醒来时，才会根据SAPL中的功率分配等级和簇首进行网络通信，从而可以为功率浪费问题的解决提供一种途径。对于网络中的簇首节点，则可以通过对临近簇首的SAPL和基站告知的交叠节点ID的监听，来实现对本簇节点的合理安排，从而有效避免了簇间干扰的发生。

3 适应功率控制及调度算法APCAS

3.1 算法描述

本文算法中，主要包括簇内调度阶段和簇间调度阶段。其中，簇内调度阶段可以实现调度和功率等级表SAPL的获取过程，相应的，簇间调度阶段可以实现SAPL的更新过程。

3.2 成簇及簇内调度阶段

在成簇和簇内调度阶段，除了完成节点对簇首成簇的选择任务外，还需要完成对SAPL表中功率等级Pm的获取和TDMA的调度。⑴簇首对MAC命令帧进行广播，通知周围普通节点加入；⑵普通节点则选择信号强度为最强的簇首作为其自身的簇首，然后，再以功率Pt向簇首发送一个入簇消息，同时将功率Pt的大小记录在MAC帧中；⑶簇首对其周围的请求入簇节点信息进行收集，并将接收到的信号的节点编入该簇，物理层对RSSI值进行测试，簇首负责对跟该成员节点进行通信时所需要的发送功率等级Pm进行计算；⑷簇首为所有的成员节点安排TDMA时隙，最终完成SAPL表，之后，将该表向其成员节点、邻居簇首和sink节点进行发送，同时，将SAPL中的初始更新标志位都设置为0；⑸在接收到簇首的SAPL表后，sink节点会通知所有簇首的交叠节点ID，同时随机选择一个簇首并将其作为锚簇首，然后再将其SAPL表的更新标志位设置为1，之后进入簇间调度阶段。

3.3 簇间调度阶段

在簇间调度阶段，可以实现对SAPL表的更新操作，减少簇间干扰。在本阶段，主要是通过sink节点广播一个SAPL更新MAC命令帧来完成的。⑴所有簇首在接到sink节点所广播的SAPL更新命令帧后，锚簇首则可以将其SAPL表的更新标志位设置为1，之后，在对其自身SAPL表进行广播，而非锚簇首则顺序进入簇间调度阶段；⑵如果更新标志位为1的簇首，接收到更新标志位为1或者0的SAPL表，则不进行任何操作；如果是更新标志位0的簇首接收到更新标志位为1的SAPL表，则首先对跟该簇的交叠节点进行查看，如果没有则舍弃SAPL表，如果有则进入TDMA的重新调度阶段；⑶簇首完成了对SAPL表的更新操作后，还应该将其更新标志位设置为1，并将更新后的SAPL表项成员节点、邻居簇首和sink节点进行广播和传送；相应的，成员节点在接收到簇首所传送的更新标志位为1的SAPL表后，则应将其作为最终通信标准，而sink节点则同步实现SAPL表的更新过程；⑷对于sink节点，需要通过对所有簇首的SAPL更新标志位进行检查，在标志位为1的情况下，则结束簇间调度，然后，再通过对一个MAC命令帧的广播来开启新的数据传输阶段。

在本文中，所介绍的APCAS算法主要利用通过自适应的思想来对功率进行控制，达到降低节点发射功率的目的，系统节点则可以通过对邻居节点SAPL表的监听，来对本簇干扰节点的TDMA时隙进行自适应调整，达到减少簇间干扰的目的。通过实验表明，文中所介绍算法能够有效减少WSN网络中的节点能量消耗，将簇间的干扰减少到较低的水平，跟不采用CDMA技术的LEACH协议相比要降低五成，效果非常明显。

[参考文献]

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